變量施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、安全的重要途徑。 我國(guó)化肥施用的突出問(wèn)題是結(jié)構(gòu)不合理，利用率低。據(jù)估計(jì)，全國(guó)每年因盲目使用浪費(fèi)化肥約100萬(wàn)噸，折合人民幣5億元。加之由于長(zhǎng)期大量施用單質(zhì)化肥，土壤板結(jié)，地下水污染，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，未被作物吸收利用的氮素向大氣揮發(fā)、向水體淋溶，不僅浪費(fèi)了資源、增加

2、了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。 為了減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的盲目投入，節(jié)約成本，增加產(chǎn)量，提高農(nóng)資利用率，減少環(huán)境污染，阻止生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，提出了一種新思想，其含義是按照田間每一操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各項(xiàng)土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化使用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入(化肥、農(nóng)藥、水、種子和其它方面的投入量)，以獲取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少化學(xué)物質(zhì)使用，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)資源。其中，變量施肥要求能根據(jù)不同地區(qū)、不同土壤類型以及

3、土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況，作物類別和產(chǎn)量水平，將N、P、K和多種可促進(jìn)作物生長(zhǎng)的微量元素與有機(jī)肥加以科學(xué)配方，從而做到有目的施肥，既可減少因過(guò)量施肥造成的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，又可降低成本，這就要求有科學(xué)合理的施肥方式和具有自動(dòng)控制的精準(zhǔn)施肥機(jī)械。 變量施肥控制系統(tǒng)由Ag132型GPS接收機(jī)、400MHZ無(wú)線數(shù)傳接收機(jī)、觸摸液晶屏工控計(jì)算機(jī)、變量施肥控制軟件、變量控制驅(qū)動(dòng)器、電控?zé)o級(jí)變速器、6行大豆精密播種機(jī)等組成。

4、 2002年10月對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)的二號(hào)地土壤采樣，共計(jì)采樣138點(diǎn)，送到黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)檢測(cè)中心進(jìn)行土壤化驗(yàn)，化驗(yàn)的結(jié)果為變量施肥提供了依據(jù)。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范試驗(yàn)基地采用DGPS定位系統(tǒng)，使用自行設(shè)計(jì)的Ag132型GPS接收機(jī)與計(jì)算機(jī)串行數(shù)據(jù)通信軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串行RS-232接口獲得GPS接收機(jī)的定位信息，并記錄了GPS接收機(jī)的定位信息。 變量施肥軟件完成與DGPS的通信，每隔一秒接收一組

5、DGPS定位信息(經(jīng)度、緯度、高程)，利用DGPS測(cè)量試驗(yàn)地塊的坐標(biāo)，做出地塊的形狀，將地塊劃分為網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格編號(hào)，變量施肥數(shù)據(jù)庫(kù)中存放著每個(gè)網(wǎng)格的施肥量，當(dāng)機(jī)車行駛某個(gè)網(wǎng)格，工控機(jī)會(huì)找到該網(wǎng)格的施肥量并輸出，施肥的變量范圍±30％。 調(diào)速系統(tǒng)由脈寬調(diào)制輸出電路、位移反饋電路、上下位機(jī)通信電路、無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)、執(zhí)行電機(jī)組成。單片機(jī)AT89C51通過(guò)RS232接口將上位機(jī)的給定施肥量等級(jí)與反饋等級(jí)比較得到差值，單片機(jī)中的增量PI

6、D算法子程序改變占空比，從而調(diào)節(jié)輸出控制電壓調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比，來(lái)改變排肥輪的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)施肥量。 采用MATLAB編程，根據(jù)對(duì)象在臨界振蕩時(shí)響應(yīng)曲線的參數(shù)，利用ZIEGLER-NicholsN.B對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，確定所需要的控制器參數(shù)。 利用MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境，對(duì)無(wú)PID控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和比較，由響應(yīng)曲線可以看出PID控制減小了系統(tǒng)的超調(diào)

7、量，縮短了調(diào)整時(shí)間。 系統(tǒng)的試驗(yàn)研究分了四個(gè)步驟，第一步對(duì)系統(tǒng)的硬件電路的調(diào)試和單片機(jī)程序的調(diào)試，包括單片機(jī)與外圍電路的接口調(diào)試；控制信號(hào)與電樞電壓關(guān)系試驗(yàn)；電樞電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速、反饋級(jí)別與傳動(dòng)比關(guān)系試驗(yàn)。第二步變量控制系統(tǒng)的變量施肥試驗(yàn)，機(jī)車在場(chǎng)上靜止，工控機(jī)輸出不同的施肥級(jí)別，用布袋接六個(gè)排肥口的施肥，用天平稱量，做出施肥級(jí)別與施肥量的關(guān)系曲線。第三步機(jī)車在田間作業(yè)時(shí)的變量施肥試驗(yàn)，機(jī)車在田間行進(jìn)，工控機(jī)輸出不同的施肥級(jí)別，用

8、布袋接六個(gè)排肥口的施肥，用天平稱量，做出指令與施肥量的關(guān)系曲線，并計(jì)算施肥誤差。 第四步變量施肥網(wǎng)格試驗(yàn)，機(jī)車行進(jìn)到由GPS定位的某一網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行施肥試驗(yàn)，數(shù)據(jù)卡記錄下經(jīng)度、緯度、設(shè)定施肥量、施肥級(jí)別。 通過(guò)試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：1、本試驗(yàn)研究的變量施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)由DGPS定位、GIS確定的地塊施肥量的控制，該系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)控制和農(nóng)業(yè)機(jī)械，將自動(dòng)控制理論貫穿于整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化。 2、變量施肥控

9、制系統(tǒng)控制施肥范圍120kg/hm2-226kg/hm2，劃分為0-100之間的100級(jí)，變量范圍是±28.9％?？朔藗鹘y(tǒng)施肥方式，一塊地施肥比例完全相同，盲目施肥的弊端。 3、PID控制提高了系統(tǒng)的型別，使系統(tǒng)從有差系統(tǒng)改進(jìn)為無(wú)差系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。PID控制算法縮短了調(diào)整時(shí)間，減小了超調(diào)量，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 4、脈寬調(diào)制電路的控制電壓與電機(jī)電樞電壓呈線性變化趨勢(shì)，試驗(yàn)波形比較理想，有時(shí)波形會(huì)有